宇宙形成之初的景象

我们往往以为，要看到过去，就必须乞灵于时光隧道旅行。其实，这是误解：由于光的传递需要时间，所以只要在晚上仰望穹苍，那么所见从远距离来的星光就已经是过去的景象。例如银河系核心离太阳大约3万光年，因此目前所见的银核光谱是在3万年前，亦即新石器时代出现之前的情况；同样，距离为5000万光年的M87星云在望远镜中所显示的，则是5000万年前，即远在人类出现之前，甚至非洲和南美洲大陆板块还未分离之时的景象。
　　
　　两年之前，我们曾在本栏报导，对一个约16亿光年之遥的星云的观测显示，在16亿年前宇宙的背景温度高达7.4K，远远超过目前银河系附近的2.7K。
　　
　　宇宙从「大爆炸」（the big bang）形成至今，年龄估计约130亿年左右。那么有没有可能观察更遥远，譬如说100亿光年以外（亦即100亿年以前）的天体，以测定宇宙混沌初开之时的景象呢？以沙弗（P.A.Shaver）为首的一组英国天文学家最近证实，"类星体"在远距离开始变得稀少，到了相当于宇宙年龄6.5%左右那么远的距离，它就根本不存在了。类星体是星云互相碰撞或者星云核心塌缩而产生的异常规象，因此必须先有星云才会有类星体出现。但早期宇宙是
　　
　　一个高密度而相对均匀的质球，它需要相当时间才会由于微细的密度涨落和重力作用而产生空间不均匀结构，亦即前星云结构。所以，在宇宙早期星体不可能存在。沙弗的研究结果，多少从实际观测上证验了这一构想。
　　
　　其实，在过去二十年间，已经有不少这一方面的工作，但都受到下列问题困扰：远方星云（包括类星体）以极高径向速度运动，且速度与距离成正比──这就是由于大爆炸而造成所谓宇宙膨胀。这径向速度造成了星云光谱的红移（见方块中的解释），但那同时又使得星云所发的光变为红光，从而论弥漫在星云之间的微尘吸收。因此，见不到极遥远的类星体很可能是由于上述吸收作用造成，而并非其不存在。
　　
　　沙弗等人解决这个问题的关键在于：大部分类星体会同时发出可见光和无线电波，可见光的红移程度是测定距离所必须的，但它可能被微尘吸收，而无线电波却不会被吸收。因此，倘若能为每一个可能是类星体的无线电源找到相应的可见光源，并且由是确定其距离，那么就可以有信心确定最远的类星体距离有类星体（quasars）是1968年发现的特异天体。令人惊诧的是，它亮度（luminosity，即每秒所发出的幅射能量）极高，相当于甚至超过整个星云（每一星云包含10的9次方至10的11次方颗星）。亮度是这样推算的：由于类星体的谱线显示了极高的红移系数z，由是可以推断它有极高的后退速度；但根据哈勃定律，星体的距离与后退速度成正比，因而又可以推知它有极远的距离，并且因而可以从它的表观（apparent）亮度算出它的惊人本有（intrinsic）亮度。另一方面，类星体显示出极迅速的闪烁。也就是说，它可以在几秒钟之内，大幅改变亮度。由于合它表面任何两点产生同步变化的讯号不能快过光速，所以又可以从它闪烁的特徵时间估计它表面直径的上限。这样，就发现类星体的表面积远小于星云，只和一颗恒星相若。其所以称为类星体，就是由于其亮度近于星云，大小则像恒星，所以无从简单判断其性质和构造。
　　
　　类星体的本质，曾经今天文学家长期感到迷惑。现在他们多少趋向于同意，类星体是所谓活跃星云的核心，亦即是由于星云相撞或者其中心由于重力塌缩而形成巨大黑洞之后，又不断吸人大量物质所造成的现象。类星体是宇宙进化的产物，所以它出现的高峰，集中在宇宙目前年龄大约20%，亦即宇宙形成之后大约25忆年的时代。在这之后（也就是说，在较接近太阳的距离）类星体密度大大减少，那是早已研究清楚的；至于在此之前类星体密度的减少，则是本文讨论的题目。多远和属于甚么年代，而不必担心由于微尘的吸收而有所遗漏了。这一需要有系统和大量高度精密观测的工作，正就是沙弗小组最近完成的。
　　
　　他们首先将整个南半球天空所有已知具有类星体无线电波谱型的射电源加以精确定位，然后在其位置一一寻找到了相应的可见光源，并且辨明这些光源的形态、红移程度和距离。这样所得结果是：最遥远的类星体的红移系数是z=4.46，那说明它发光的时间离宇宙形成之初只有89亿年，亦即目前宇宙年龄的6.5%左右。在更远的距离（相当于z>5和更早的年代）尽管还有许多其他发光星体，但具有其特殊无线电谱型的类星体则并不存在。由是证明，早期宇宙是没有发射强无线电波的类星体的。他们并且认为，有理由相信同样结果还适用于所有类星体。
　　
　　倘若这一结论可以站得住脚的话，那未我们对星云开始形成的年代也得到了一个估计，即不迟于大爆炸之后8.9亿年。